陈 亮，李 耕，张晓锋

（海军工程大学，武汉430033）

0 引言

近年以来船舶制造领域呈现向大型综合化、电气化、智能化方向发展的趋势，伴随这种趋势而来的是船舶电力系统容量与电压等级的提高。综合考虑供电能力、线路损耗的影响，显然大功率等级的船舶电力系统采用中压或高压交流供电方式较为合理[1]。事实上，目前船舶中压电力系统已经得到了广泛的应用，主要有3/3.3 kV、6/6.6 kV、10/11 kV等级。

船舶电力系统电压等级的提升带来的挑战不仅体现在设备与系统绝缘与安全方面，还关系到系统接地方式的配置问题。传统低压系统采用不接地运行方式，特点是安全性好，供电连续性高。但是，船舶中压电力系统对地分布电容的影响不可忽视，发生接地故障时会产生较大的容性电流，极易造成故障点起弧现象，严重时故障会扩大化。因此，对于中压电力系统必须考虑中性点接地运行方式[4]。目前，应用较广泛的是高阻接地方式，中性点设置在发电机绕组中性点上。

本文针对船舶中压系统高阻接地方式开展研究，参考多项标准规范，解决了接地电阻值计算选择中的问题，并从多个角度出发校验了接地电阻设计值的合理性。

1 发电机中性点接地方式选择

通常，电力系统的中性点设置在发电机绕组星形连接的中性点，或者变压器的中性点。本文主要考虑针对发电机的保护，综合各国船级社标准规定，选择发电机中性点作为系统接地中性点。

1.1 标准与规范要求

按照 GB/T 14285-2006《继电保护和安全自动装置技术规程》的规定（具体见表1所示），当6.3 kV发电机定子绕组单相接地故障电流达到4 A时，定子绕组接地保护应动作于信号，当故障电流大于4 A时，定子绕组接地保护应动作于停机。

表1 发电机定子绕组单相接地故障电流允许值

1.2 接地方式选择依据

要使发电机得到充分保护，遵循的原则有：1）定子绕组单相接地故障不应烧损定子铁芯；2）不应因单相接地的间歇性弧光过电压，使单相接地故障发展为相间或匝间短路；3）发电机中性点接地方式应有利于提高定子绕组单相接地保护的技术性能。

由于系统对地电容值较大，因而当发电机定子绕组发生单相接地故障时不可能将接地故障电流限制在规定的允许值以下，从而会导致发电机定子绕组铁芯的烧损。根据上述标准的推荐，对于这种对地电容比较大的具有发电机的系统，所适用的中性点接地方式应保证发生定子绕组单相接地故障时中性点的暂态过电压不超过允许值，且与最大接地故障电流的时间特性相适应。因此，船舶中压发电机的中性点宜采用高电阻接地方式，并在发电机定子绕组接地保护装置的配合下快速切除接地故障，以防止发电机定子铁芯烧损。

2 系统参数初步计算

下面以某中压6.3 kV船舶电力系统为例，计算其发生单相接地故障时的故障电容电流。

系统发生单相接地故障时，接地故障电容电流的大小主要取决于每相对地电容值，计算过程如下：

发电机定子绕组单相对地电容值：；Cg=0.05 μF

变压器单相对地电容值：Ct=0.0015 μF ；

中压电缆单相分布电容值：C1=0.0015 μF，（规格 3×95，额定电压 6/10，铠装）；设电缆总长：l=8 km；

考虑最小工况下2台发电机并联，C02=3.937 μF ；

最大工况下 7台发电机并联，C07=4.1877 μF ；

高潮立马掏出手机，调出“诗的妾”那条在去温州的列车上发来的短信，一看时间，19:47/23/07/2011，一下子惊呆了！高潮知道，那桩举世闻名的动车交通事故，发生在几天前的七月二十三日晚间。高潮顾不得许多了，立马破戒，拨打“诗的妾”的手机，他听到的是一个彬彬有礼而缺少温度的声音：您拨打的电话已关机，请稍后再拨……

从发电机中性点看入的对地总容抗：

则系统在发生单相接地故障时的故障电容电流为（取发电机额定电压Ue=6.3 kV）：

可以看出，发电机在定子绕组发生单相接地故障时的故障电流已远超过了GB/T 14285规定的允许值，需要在故障发生时跳闸停机。这也应证了有必要采取中性点高阻接地方式。

3 中性点接地电阻值的选取

3.1 满足限制暂态过电压的要求

DL/T 620-1997《交流电气装置的过电压保护与绝缘配合》规定：“高电阻接地系统的系统设计应符合R0≤Xc0的准则，以限制由于电弧接地故障产生的瞬态过电压。一般采用接地故障电流小于10 A。R0是系统等值零序电阻，Xc0是系统每相对地分布容抗。”

DNV《船舶入级规范》中也有类似规定：“系统中性点通过一个电阻接地，其电阻值等于或稍小于一相与地之间容抗值的1/3。”

IEEE Std C62.92.1-2000中有关于高电阻接地方式对过电压的抑制试验，根据 IEEE 的实验模拟，得到在不同容抗与接地电阻值比值条件下，电弧过电压峰值与相对地电压峰值的比值情况，如图1所示。如果期望过电压水平可以抑制在2.6倍正常值以下，接地电阻的阻值必须小于系统容抗值：Rn≤Xcn=1/3ωC0。

经过计算比较发现，发电机中性点接地电阻值Rn并不是越大越好，当Rn的值过大时在发电机定子绕组单相接地故障时将会产生较高的弧光暂态过电压，这将对发电机定子绕组绝缘造成威胁。随着发电机中性点接地电阻Rn值的减小，发生接地故障时的弧光暂态过电压倍数将下降，但当Rn减小低于Xcn的值后发生接地故障时弧光暂态过电压倍数的下降将变得十分缓慢，相反，由于Rn的值过小将不可能将接地故障电流限制在允许范围内，这样接地故障电流将会烧损发电机的定子铁芯。

图1 弧光暂态过电压与相对地电压在不同情况下的比值

在实际应用中，接地电阻的大小还应根据发电机定子绕组的电气绝缘水平来确定，当发电机的定子绕组电气绝缘强度有较高的安全系数，且中性点接入电阻后发生定子绕组单相接地故障时的弧光暂态过电压不会造成定子绕组绝缘损坏时，接地电阻值的选取则主要从减小接地故障电流值为出发点，即接地电阻值可以选到图1中横坐标的0.5以下区域。

3.2 满足限制接地故障电流的要求

DL/T 780-2001《配电系统中性点接地电阻器》中对于中性点电阻器的额定发热电流也做出了相关规定，推荐选用的额定值为3 A、7 A、16 A、25 A、50 A等。

为了满足限制接地故障电流的要求，先考虑限制中性点电阻电流，我们选择3 A、5 A、7 A、10 A来进行验证。当接地故障发生在发电机出口端或定子绕组上时，故障发电机主开关跳闸后的接地电流如表2所示。

表2 故障发电机跳闸后不同电阻值条件下的接地故障电流

按照GB/T14285-2006规定，6.3 kV发电机的定子绕组单相故障电流允许值为4 A。若接地故障电流大于4 A，则单相接地保护必须作用于跳闸灭磁。但应注意即使灭磁动作，由于灭磁时间常数较大，故障电流仍持续一段时间，对定子铁心的安全仍可能有较大威胁。因此，我们不主张发生定子绕组接地故障时动作于跳闸灭磁，而是通过限制故障电流，使跳闸后的接地故障电流限制到允许值范围内，进而实现平稳停机，避免因为灭磁而造成对发电机的损害。

通过计算可知：1）只有中性点电阻电流为3 A的情况才满足我们的需要，此时的中性点电阻值为1212 Ω。2）当中性点电阻为1212 Ω时，接地故障电流范围为14.77 A～25.44 A，基本满足IEEE Std C37.101-2006的推荐要求。

4 中性点电阻值校验

4.1 从限制过电压水平考虑

当中性点电阻取值为1212 Ω时，最大过电压为3.2倍，这相当于新机出厂试验电压3.5 p.u.的91%，因而当发生定子绕组接地故障时所产生的弧光暂态过电压不会损坏定子绝缘绕组。

4.2 从人身安全角度考虑

从人身安全考虑，中性点接地电阻的电流越小越好。因为中性点经电阻接地在发生单相接地故障时，通过故障点的接地短路电流比较大，会引起故障点对地电位升高，有可能造成跨步电压，接触电势超过允许值。因此在选择电阻值时，应根据接地电阻、保护动作时间和接地短路电流计算跨步电压和接触电势是否超过规程。根据深圳(400 A)、广州(400 A)、上海(1000 A)、北京(600 A)、青岛(1300 A)、天津(1300 A)等地选择电阻电流的经验，并未发现因采用电阻接地方式而造成跨步电压和接触电势过高引起人身伤亡事故。

综上所述，对影响电阻值的4个主要因素，按选择的单机电阻电流为3 A，总接地故障电流为3 A～25 A的要求，对于6.3 kV系统(额定电压为6.3 kV)，计算出接地中性点电阻为1212 Ω。

4.3 从继电保护灵敏度考虑

若系统发生单相接地故障，流过接地故障点的零序电流等于接地相的电阻性电流和非接地相的电容电流的矢量和。按选择的接地中性点电阻为1212 Ω计算，单相接地故障电流为14.77 A～25.44 A。从保证继电保护灵敏度考虑，电阻值越小即流过电阻的电流越大越好。目前的微机保护一般都有零序保护功能，且启动的电流值相当小，而单相接地故障电流远大于每条线路的对地电容电流，一般都能满足零序保护的灵敏度要求。

5 结论

根据各国船级社规定与国家标准规范对于中压等级电力系统的相关要求，本文选择了发电机中性点经高阻接地运行方式。通过理论计算不同工况以及不同接地电阻值配置条件下，故障电流、系统过电压指标，并依照现行发电机保护规程进行比较分析，设计了某船中压电力系统接地电阻值为1212 Ω。经过分析可知，该电阻取值满足任意工况条件下限制系统过电压小于3.5p.u.指标，能保证人员安全性同时能满足基于继电保护灵敏度的考虑。本文的接地电阻值整定计算依据现行规范，算例具有普适性，可以为同类中压船舶的接地电阻整定提供参考范本。

[1]邰能灵,王鹏,倪明杰．大型船舶电力系统关键技术与应用[M]．北京: 科学出版社,2012．

[2]黄一民,王硕风,王良秀．不同推进方式下LNG船电力系统的比较与发展趋势[J]．船舶工程,2010,32(3): 43-46．

[3]吴忠林．船舶交流电力系统的短路电流[M]．北京:国防工业出版社,1983．

[4]兰海,卢芳,孟杰．舰船电力系统[M]．北京: 国防工业出版社,2013．

[5]罗宁昭．舰船中压电力系统接地技术研究[D]．武汉:海军工程大学博士学位论文,2011．

[6]IEEE Std C37．102-2006．IEEE Guide for AC Generator Protection[S]．USA: IEEE,2006．

[7]IEEE Std C62．92．1-2000．IEEE Guide for the Application of Neutral Grounding in Electrical Utility Systems[S]．USA: IEEE,2000．